樹脂性能比較
在任何組件中使用的樹脂系統(tǒng)的選擇取決于它的一些特性，以下可能是大多數(shù)復合結(jié)構(gòu)中最重要的：
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膠性能
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機械性能
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微觀裂紋阻力
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抗疲勞強度
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水蝕降解
粘合性能
已經(jīng)討論了樹脂體系的粘合性能在實現(xiàn)復合材料的全部力學性能方面是如何重要的。在夾層結(jié)構(gòu)中，樹脂基體與纖維增強材料或芯材的附著力是很重要的。
聚酯樹脂通常在這里描述的三種體系中具有最低的粘合性能。乙烯萊斯特樹脂表現(xiàn)出比聚酯更好的粘接性能，但環(huán)氧樹脂體系提供了所有粘合劑中最好的性能，因此在許多高強度粘合劑中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)。這是由于它們的化學成分和極性羥基和醚基團的存在。由于環(huán)氧樹脂以低收縮率固化，在固化過程中，液體樹脂和粘附物之間建立的各種表面接觸不會受到干擾。環(huán)氧樹脂的粘接性能在蜂窩芯層合板的結(jié)構(gòu)中特別有用，其中小的粘接表面積意味著需要最大的粘接。
樹脂與纖維之間的粘結(jié)強度不僅取決于樹脂體系的粘合性能，還受增強纖維表面涂層的影響。
機械性能
任何樹脂體系的兩個重要機械性能是拉伸強度和剛度。圖22和23顯示了在20°C和80°C固化的市售聚酯、乙烯萊斯特和環(huán)氧樹脂體系上進行的測試結(jié)果。
圖22 樹脂的相對拉伸強度 圖23 樹脂的相對剛度
在室溫下七天的固化期后，可以看到典型的環(huán)氧樹脂在強度和剛度方面都比典型的聚酯和乙烯酯具有更高的性能。80°C后固化5小時的有益效果也可以看到。
對復合材料設計者和建造者來說，同樣重要的是樹脂在固化期間和固化后的收縮量。收縮是由于樹脂分子在液體和半凝膠相中重新排列和重新定向。聚酯和乙烯酯需要大量的分子重排才能達到固化狀態(tài)，并且可以顯示高達8%的收縮率。然而，環(huán)氧樹脂反應的不同性質(zhì)導致很少的重排，并且沒有揮發(fā)性雙產(chǎn)物的產(chǎn)生，典型的環(huán)氧樹脂收縮率降低到2%左右。在一定程度上，沒有收縮是環(huán)氧樹脂比聚酯更好的機械性能的原因，因為收縮與內(nèi)部應力有關(guān)，可以削弱材料。
此外，層壓板厚度的收縮導致增強纖維圖案的“穿透打印”，這是一種難以消除且昂貴的外觀缺陷。
微觀裂紋
層壓板的強度通常是根據(jù)它在完全失效之前能承受多大的載荷來考慮的。這種極限強度或斷裂強度是樹脂表現(xiàn)出災難性斷裂和增強纖維斷裂的點。
然而，在達到這一極限強度之前，層壓板將達到一個應力水平，樹脂將開始從那些與應用載荷不對齊的纖維增強層中開裂，這些裂縫將通過樹脂基體擴散。這被稱為“橫向微裂紋”，盡管此時層壓板還沒有完全失效，但破裂過程已經(jīng)開始。因此，想要持久結(jié)構(gòu)的工程師必須確保他們的層壓板在常規(guī)使用載荷下不超過這一點。
圖24 典型的FRP應力/應變圖
層壓板在微開裂前所能達到的應變很大程度上取決于樹脂體系的韌性和粘結(jié)性能。對于脆性樹脂系統(tǒng)，如大多數(shù)聚酯，這一點發(fā)生在層壓板失效之前很長一段時間，因此確實限制了這種層壓板可以承受的應變。例如，最近的試驗表明，對于聚酯/玻璃編織粗紗層壓板，微裂紋通常在約0.2%應變時發(fā)生，直到2.0%應變時才發(fā)生最終破壞。這相當于可用強度僅為極限強度的10%。由于層壓板在張力下的極限強度由纖維強度決定，這些樹脂微裂紋不會立即降低層壓板的極限性能。
然而，在水或潮濕空氣等環(huán)境中，微裂紋層壓板將比未開裂的層壓板吸收更多的水。這將導致重量增加，樹脂和纖維施膠劑受潮，硬度下降，隨著時間的推移，最終性能下降。
樹脂/纖維粘附性的增加通常源于樹脂的化學性質(zhì)及其與應用于纖維的化學表面處理的兼容性。在這里，眾所周知的環(huán)氧膠粘劑性能有助于層合板實現(xiàn)更高的微開裂應變。正如前面所提到的，樹脂韌性很難測量，但廣泛地通過其最終失效應變來表示。不同樹脂體系的對比如圖25所示。
圖25 典型樹脂應力/應變曲線(80℃后固化5小時 )
抗疲勞強度
一般來說，與大多數(shù)金屬相比，復合材料具有優(yōu)異的抗疲勞性。然而，由于疲勞失效往往是由少量損傷的逐漸積累引起的，任何復合材料的疲勞行為都將受到樹脂的韌性、抗微裂紋能力以及制造過程中出現(xiàn)的空隙和其他缺陷的數(shù)量的影響。因此，與聚酯和乙烯酯相比，環(huán)氧基層壓板往往表現(xiàn)出非常好的抗疲勞性，這是它們在航空結(jié)構(gòu)中使用的主要原因之一。
水蝕降解
任何樹脂的一個重要特性，特別是在海洋環(huán)境中，是它能夠承受進水降解的能力。所有樹脂都會吸收一些水分，增加層壓板的重量，但更重要的是吸收的水分如何影響層壓板中的樹脂和樹脂/纖維粘結(jié)，導致機械性能的逐漸和長期損失。由于分子結(jié)構(gòu)中存在可水解酯基團，聚酯樹脂和乙烯酯樹脂都容易發(fā)生水降解。
因此，薄聚酯層壓板在水中浸泡一年后，預計只能保留其層間剪切強度的65%，而環(huán)氧樹脂層壓板浸泡一年后將保留約90%。
圖26 100℃浸泡時間對樹脂層間剪切強度的影響
圖26顯示了水對環(huán)氧樹脂和聚酯編織玻璃層壓板的影響，這些層壓板在100°C的水浸泡下。這種高溫浸泡使浸泡后的薄片具有加速的降解性能。
滲透性能
海洋環(huán)境中的所有層壓板都允許非常少量的水以蒸汽形式通過它們。當水通過時，它與層壓板內(nèi)的任何可水解成分發(fā)生反應，形成濃縮溶液的微小細胞。在滲透循環(huán)下，更多的水通過層壓板的半透膜，試圖稀釋這種溶液。這些水將細胞內(nèi)的流體壓力增加到700 psi。最終，壓力會使層壓板或膠衣變形或破裂，并可能導致典型的“水痘”表面。層壓板中的可水解組分可能包括在制造過程中被困住的污垢和碎片，但也可能包括固化聚酯中的酯鍵，以及較小程度上的乙烯萊斯特。
使用富樹脂層旁邊的凝膠涂層是必不可少的聚酯樹脂減少這種類型的降解，但通常唯一的治愈一旦過程開始是更換受影響的材料。為了從一開始就防止?jié)B透的發(fā)生，有必要使用一種既具有低透水率又具有高抗水侵蝕能力的樹脂。當與具有類似抗表面處理和層壓到非常高的標準的增強材料一起使用時，起泡幾乎可以消除。具有環(huán)氧基鏈的聚合物鏈在抵抗水的影響方面比許多其他樹脂體系要好得多。這種體系已被證明具有優(yōu)異的耐化學性和耐水性，低透水率和非常好的機械性能。
樹脂性能對比總結(jié)
這里討論的聚酯、乙烯酯和環(huán)氧樹脂可能占結(jié)構(gòu)復合材料中使用的所有熱固性樹脂體系的90%左右。總之，這些類型的主要優(yōu)點和缺點是:
表格內(nèi)容：
聚酯的優(yōu)勢：使用方便、樹脂的最低成本(£1-2/kg)。
缺點：機械性能中等，開模時苯乙烯排放高，固化收縮率高、工作時間范圍有限。
乙烯樹脂的優(yōu)點：具有很高的耐化學/環(huán)境性能、機械性能高于聚酯
缺點：后固化一般要求性能高、苯乙烯含量高、成本高于聚酯(£2-4/kg)、固化收縮率高。
環(huán)氧樹脂的優(yōu)點：高的機械性能和熱性能、高耐水性、工作時間長、耐溫能力強至濕140℃/ 干220℃、固化收縮率低
缺點：比乙烯酯更貴( (£3-15/kg)、臨界混合、腐蝕處理。
用于復合材料的其他樹脂
除了聚酯，乙烯酯和環(huán)氧樹脂，還有許多其他特殊的樹脂系統(tǒng)，用于需要其獨特性能的地方:
主要用于高耐火要求的地方，酚醛樹脂在高溫下也能很好地保持其性質(zhì)。對于室溫固化材料，使用腐蝕性酸，導致不愉快的處理。其固化過程的縮合性質(zhì)容易導致包含許多空洞和表面缺陷，樹脂趨于脆性，力學性能不高。典型成本: £2-4/kg。
苯異氰酸酯
主要用于航空航天工業(yè)。該材料優(yōu)異的介電特性使其非常適合用于低介電纖維，如石英，用于制造天線罩。該材料還具有高達200°C濕的溫度穩(wěn)定性。典型成本: £40/kg。
硅樹脂
以硅為基材而不是碳為有機聚合物的合成樹脂。耐火性能好，耐高溫。需要高溫固化。用于導彈應用。典型成本: >£15/ kg。
聚氨酯
高韌性材料，有時與其他樹脂混合，由于相對較低的層壓機械性能在壓縮。使用有害異氰酸酯作為固化劑。典型成本: £2-8/kg。
雙馬來酰亞胺(BMI)
主要用于要求較高溫度(230°C濕/250°C干)的飛機復合材料。例如，發(fā)動機入口，高速飛機飛行表面。典型成本:>£50/kg.。
聚酰亞胺
用于需要在比雙馬來酰亞胺能承受的更高溫度下操作的地方(使用高達濕250℃/干300℃)。典型的應用包括導彈和航空發(fā)動機部件。極其昂貴的樹脂(>£80/kg)，在制造過程中使用有毒原料。聚酰亞胺由于在固化過程中縮合反應會放水而難以加工，固化后相對較脆。PMR15和LaRC160是復合材料中最常用的兩種聚酰亞胺。
圖示 樹脂體系，如有機硅，BMI 's和聚酰亞胺經(jīng)常用于高溫飛機部件
